Разумные машины (Автоматы) - Дрожжин Олег. Страница 26

— Нет. Это явление открыл в прошлом году в Германии профессор Вильгельм Хальвакс. Он назвал его фотоэлектрическим эффектом.

— Ну, так знаешь, что я тебе посоветую, милый друг? — заявил инженер, решительно вставая, чтобы распрощаться. — Плюнь ты на этот фотоэлектрический эффект, тем более, что не ты его открыл, и займись чем-нибудь поважнее и посерьезнее!

Профессор Столетов не последовал «дружескому» совету своего старого школьного товарища. В течение нескольких лет подряд он тщательно изучал новое явление, пытаясь проникнуть в тайну действия света, но безуспешно: физика того времени еще не располагала достаточными для этого сведениями.

Кроме А. Г. Столетова и В. Хальвакса, фотоэлектрическим эффектом занимались еще очень многие физики. В результате огромной исследовательской работы выяснилось, что фотоэлектрический эффект широко распространен в природе; в той или иной форме он наблюдается не только у цинка и других металлов, но и вообще у твердых тел, жидкостей и газов.

Сущность фотоэлектрического эффекта, или, короче, фотоэффекта, состоит в том, что под действием света — видимого или невидимого — из вещества вырываются мельчайшие частички отрицательного электричества — электроны. У очень многих веществ фотоэффект дают только ультрафиолетовые лучи. Но существуют и такие, у которых фотоэффект вызывается видимым светом. К ним относятся, например, щелочные металлы — литий, натрий, калий, рубидий и цезий. Цезий чувствителен даже к невидимым инфракрасным лучам.

Фотоэлектрические элементы

«Бесполезное открытие», по выражению школьного товарища профессора А. Г. Столетова, фотоэффект за последнее десятилетие с каждым годом приобретает все более важное значение в научно-исследовательской работе, в промышленности и даже в общественной жизни благодаря широкому применению фотоэлектрических элементов. Так называют чувствительные к свету приборы, использующие фотоэффект.

Первым фотоэлементом следует считать ту цинковую пластинку, соединенную с электроскопом, которой пользовался в своих исследованиях профессор А. Г. Столетов. Кстати, она теряла свой заряд под действием не световых, а ультрафиолетовых лучей, которые вольтова дуга испускает вместе с видимым светом. Это А. Г. Столетов знал еще в 1888 г.

Пять лет спустя, в 1893 г., два немецких ученых — Эльстер и Гейтель — заменили цинковую пластинку цинковым шаром. Это был второй вид фотоэлемента, которым два ученых долгое время пользовались для исследования ультрафиолетовых лучей.

Их интересовал, например, вопрос, насколько обыкновенное стекло прозрачно для этих невидимых лучей. Освещая шар вольтовой дугой, Эльстер и Гейтель определяли, сколько секунд требуется для его разрядки. Потом между шаром и вольтовой дугой ставили оконные стекла. В этом случае на разрядку требовалось времени в пять, в десять раз больше. Было ясно, что оконные стекла плохо пропускают ультрафиолетовые лучи. Помещая вместо обычных стекол кварцевые, Эльстер и Гейтель нашли, что те прекрасно пропускают ультрафиолетовые лучи. Теперь такие стекла начинают применяться для окон домов.

Фотоэлемент в виде цинкового шара не очень нравился Эльстеру и Гейтелю. Он был мало чувствителен и не удобен в обращении. Поэтому ученые не раз задумывались над тем, как бы его улучшить. Упорно продолжая работы по изучению фотоэффекта, Эльстер и Гейтель в 1910 г. создали, наконец, фотоэлемент в таком виде, который в основном применяется и сейчас.

В новом приборе светочувствительный слой металла тонкой пленкой наносят на часть внутренней поверхности стеклянного сосуда, имеющего форму груши. В центре сосуда помещается металлическое кольцо на металлической же подставке. От светочувствительного слоя и от кольца идут выводы к наружным клеммам. Из сосуда удаляется воздух.

Под действием света из металлической пленки вырываются электроны, часть которых попадает на кольцо. В результате пленка очень скоро заряжается положительным электричеством, и тогда выбрасывание электронов прекращается.

Положительный заряд пленки можно обнаружить с помощью очень чувствительного электроскопа (электрометра). Кольцо от осевших на нем электронов заряжается отрицательно.

Если во время опыта светочувствительную пленку и кольцо соединить проводником, то по нему потечет электрический ток, и выбрасывание электронов из пленки под действием света будет продолжаться безостановочно. Включив в эту цепь сверхчувствительный гальванометр, можно определить силу тока. Она оказывается крайне ничтожной и измеряется стомиллиардными долями ампера.

Таким током нужно было бы копить электричество тысячу шестьсот лет, чтобы дать возможность пятидесятисвечной лампе гореть всего только одну секунду.

Схема включения фотоэлемента. ФЭ — фотоэлементы; К — катод; А — анод; Г — гальванометр; А — аккумулятор.

В фотоэлементе Эльстера и Гейтеля происходит превращение света в электрический ток. В обычной же лампе электрический ток превращается (частично) в свет. Поэтому можно сказать, что фотоэлемент есть как бы лампа навыворот, лампа наизнанку.

В дальнейшем, желая увеличить чувствительность фотоэлемента, Эльстер и Гейтель стали присоединять к нему батарею аккумуляторов «минусом» к металлической пленке, «плюсом» к кольцу. Отсюда светочувствительная пленка металла получила название «катода» (отрицательного полюса), а кольцо — «анода» (положительного полюса). Напряжение батареи достигало ста пятидесяти вольт.

В темноте по такой цепи ток не идет — мешает разрыв внутри фотоэлемента. Но стоит только на светочувствительный слой пустить луч света, как в то же мгновение от катода к аноду через разрыв полетят электроны, и ток в цепи возникнет. Сила этого тока при одинаковом освещении в несколько десятков раз больше той, которую дает фотоэлемент без вспомогательной электрической батареи.

Вводя в стеклянный баллон разреженные инертные газы (аргон, неон и некоторые другие газы, не вступающие ни в какие химические соединения), Эльстер и Гейтель еще больше повысили чувствительность своего фотоэлемента. Такие газонаполненные фотоэлементы с вспомогательной батареей дают токи в сотни раз более сильные, чем пустотные фотоэлементы без батареи.

Наконец, в 1921 г. немецкий астроном X. Розенберг присоединил к фотоэлементу катодную лампу, применяемую в радиотехнике. Таким путем ему удалось необычайно слабые токи усилить в сотни тысяч раз. Это событие было переломным в «жизни» фотоэлемента: получив мощное подкрепление со стороны катодных ламп, он выходит из тиши лабораторий на широкий простор фабрик, заводов, городов, делая с каждым годом новые блестящие завоевания.

С 1932 г. заводское производство фотоэлементов налажено и у нас в Советском союзе (в Москве на Электроламповом заводе и в Ленинграде на заводе «Светлана»). Мы производим фотоэлементы марки «ГК-2». В них непосредственно на стекло грушевидного баллона наносится тонкий слой магния, который служит подкладкой для светочувствительного слоя. На эту подкладку осаждается тончайшая пленка светочувствительного металла калия. Поверх калия наносится еще тончайший слой серы. Это повышает чувствительность фотоэлемента в несколько раз. Наконец, в баллон вводится разреженный газ аргон или неон.

Светочувствительный слой покрывает всю шаровую часть баллона. Лишь с одной стороны — против кольца — в нем оставляется круглое окно, через которое свет попадает внутрь фотоэлемента. Если весь баллон можно сравнить с глазом, то окно соответствует зрачку глаза.

Наш фотоэлемент «ГК-2» очень чувствителен: на расстоянии метра от пятидесятисвечной лампочки он дает токи (при включении вспомогательной батареи напряжением в 240 вольт), достигающие нескольких тысячных долей ампера.

С 1933 г. мы начали производить еще и цезиевые фотоэлементы, на которые, как и на глаз, действуют главным образом лучи видимого света и частично инфракрасные лучи.